基于BD／GPS的双模船载导航系统设计
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引言 北斗卫星导航系统(BDS)是我国正在实施的自主建设、独立运行的全球卫星导航系统。有着集定位、授时、短报文通信及用户检测于一体的优势，然而目前北斗卫星导航系统的实际应用并不理想，用户终端设备价格偏高且研发滞后，应用规模不大。尤其在航海领域，许多与卫星导航有关的先进设备、先进技术(如电子海图导航系统)暂不支持北斗卫星导航服务，目前船载卫星导航系统中使用最普遍的仍是GPS系统。 本文利用现有的电子海图导航系统，在其基础之上同时加载北斗及GPS导航定位信息，选用泰斗微电子科技有限公司推出的支持BD2/GPS的双模授时定位模组实现北斗/GPS卫星导航信息的接收，选用具有双串口的一款单片机负责系统的控制、信息采集、传输，最终实现电子海图导航系统与北斗卫星导航系统的对接，对北斗卫星在航海领域的民用推广有一定意义。 1 总体结构与功能 本系统将导航信息进行解析转换，通过串口传递给上位机，最终在电子海图显示系统中显示定位导航。按照功能要求，可将系统分为单片机控制模块、BD/GPS双模接收模块、串口通信模块、存储系统、电源模块等，如图1所示。 2 硬件设计 2.1 北斗/GPS双模接收模块 TD3017芯片是北斗/GPS双模接收模块的核心，它是一款支持BD2 B1/GPS L1的双模授时定位模组，内部整合了双模基带芯片和高性能可配置的双模双通道射频芯片，提供高精度、高灵敏度、低功耗、低成本的BD2/GPS双模导航、授时服务，且具备天线状态检测及天线短路保护功能，支持休眠工作模式，支持软件升级等功能。 通常情况下，北斗/GPS双模接收模块通过外接BD2B1/GPS L1有源天线，可接收到北斗B1频段(即1561.098±2.046 MHz)及GPS的L1频段(即1575.42±1.023MHz)内的卫星导航信号。有源天线接收到高频卫星信号后，经过TD3017A模组内射频芯片完成对信号的放大、变频得到中频模拟信号;再经滤波、解调、A/D转换等操作，实现微弱射频信号到数字中频信号的转换;然后再通过TD3017A模组内基带芯片进行捕获和跟踪、定位结算等一系列算法处理后，解译出北斗以及GPS的导航电文;最后输出NMEA格式的定位数据和1PPS授时信号。 模块上电完成初始自检后，自动接收来自天线的射频信号，解析出导航电文，最后由串口输出NMEA-0831数据。TD3017的串口引脚通过MA X232电平转换芯片，可直接与上位机串口连接通信，也可以通过简单的跳线连接与单片机系统进行串口通信，硬件电路图如图2所示。 2.2 串口通信模块 STC12C5A60S2单片机是一款低功耗、高性能、抗干扰能力强、价格低廉、操作简单、实用性强的CMOS 8位微控制器，指令代码完全兼容传统8051，片上集成1280字节RAM，具有串口1(RxD/P3.0及TxD/P3.1和串口2(RxD2/P1.2，可通过寄存器设置到P4.2;TxD2/P1.3可通过寄存器设置到P4.3)双串口。 单片机与上位机可通过电平转换电路实现RS232格式通信;单片机与BD/GPS信号接收模块间，可经由MAX232进行电平转换实现RS232通信，也可以通过简单的跳线链接进行串口通信。 2.3 电源模块 电源部分电路如图3所示，其中AS1117—3.3是一款低压差线性稳压器，它能提供完善的过流保护和过热保护功能，确保芯片和电源系统的稳定性。 3 系统程序设计 上位机的电子海图系统选用OpenCPN，它是一个开源代码的简洁电子海图导航软件，支持GPS/GPDS定位信息输入、BSB栅格图表显示、S57 Vector ENChart Display、AIS输入解码、Waypoint Autopilot Navigation等功能。单片机将从北斗/GPS信号接收模块中接收到的BD2或GPS报文进行解析、转换后，得到NMEA标准格式的“$GPRMC”定位报文，通过串口传递给电子海图加以显示定位。整个程序可分为几个部分，即主控程序、BD2/GPS定位解析程序、串口通信程序。 3.1 NMEA数据协议简单介绍 TD3017模块输出的消息语句符合NMEA—0183通信标准格式，基本格式定义如下： $，data1，data2，…，*<校验和> IDsss是语句类型标识，它由两部分组成：ID为语句标识符，SSS为语句格式符。语句标识符有BD、GP、GN、CC、P，分别代表BD2系统、GPS系统、GNSS系统、Computer Control语句、专用语句;而语句格式符分为输入语句格式符(用于对TD3017模组进行工作模式等的切换设置)，以及输出语句格式符(有GGA、GLL、GSA、GSV、RMC、TXT，除了TXT是段文本信息的传送，用于输出天线检测状态或者输出一些控制命令的响应以外，其余的与标准NMEA～0831协议一致)。 类型标识符后为数据体，由若干数据字段(d1，d2，…，dn)组成;校验和的计算是从$到*之间的所有字符;表示回车换行。例如： $BDRMC，084300.00，A，2434.90608，N，11806.83229，E，0.067，，151014，，，A*77 本实验中利用卫星接收模块接收到其中一条信息一$BDRMC为帧头，表明该语句为北斗RNC格式定位信息;字段1(084300.00)为UTC时间，hhmmss.sss为时分秒格式，即UTC时间8时43分0秒(北京时间16时43分0秒);字段2(A)表示状态，A=定位，V=未定位;字段3(2434.90608)为纬度ddmm.mmmm，度分格式;字段4(N)表示N(北纬)或S(南纬);字段5(11805.83229)为经度dddmm.mmmm，度分格式;字段6(E)表示E(东经)或W(西经);字段7(0.067)为速度，单位为节，Knots;字段9(151014)为UTC日期，DDMMYY格式，即14年10月15日。 |
